Лабораторная работа № 7 гальванический элемент и коррозия металлов

Теоретическое введение

Гальванический элемент – химический источник тока, в котором энергия окислительно – восстановительной реакции, непосредственно преобразуется в электрическую.

Окислительно-восстановительные реакции протекают на электродах – системах, состоящих из металлов, погруженных в раствор или расплав электролита.

На границе «металл – раствор» в результате обмена ионами, молекулами и электронами возникает двойной электрический слой, характеризуемый скачком потенциала.

Разность потенциалов между металлом и раствором называется электродным потенциалом. На величину электродного потенциала оказывают влияние природа металла, растворителя, температура, концентрация.

Стандартным электродным потенциалом () называется потенциал металла, погруженного в раствор собственной соли с концентрацией 1моль /л и измеренного относительно стандартного водородного электрода. Стандартный электродный потенциал водородного электрода принят равным нулю. Чем меньше величина стандартного электродного потенциала, тем больше восстановительная активность металлов.

Для вычисления значения электродного потенциала при концентрациях ионов металла в растворе, отличных от стандартной, при температуре 298 К пользуются уравнением Нернста:

,

где ⁰ – стандартный электродный потенциал; n – число электронов, участвующих в электродном процессе;

С- концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Если два электрода соединить проводником, а растворы - электролитическим ключом, то образуется гальванический элемент.

Анодом является металл с меньшим электродным потенциалом. На аноде происходит процесс окисления.

На катоде происходит процесс восстановления катионов электролита.

Электродвижущая сила (Е) гальванического элемента рассчитывается как разность потенциалов:

Е = _катода - _анода

Пример: в гальваническом элементе, электродами которого являются медный и цинковый, погруженные в растворы своих солей с концентрациями [Cu²⁺] = [Zn²⁺] = 1моль/л, в качестве анода будет выступать цинк, так как <. Атомы цинка будет окисляться. На катоде будет происходить восстановление ионов Cu²⁺ из раствора.

Электронные уравнения электродных процессов имеют вид:

Aнод: Zn – 2e = Zn²⁺

Kатод: Cu²⁺ +2e = Cu

ЭДС данного гальванического элемента будет равна: Е = +0,34 – (-0,763) = 1,103 В.

Схема гальванического элемента имеет вид: Zn / ZnSO₄ / / CuSO₄/ Cu

Коррозия – самопроизвольное разрушение металлов в результате взаимодействия с окружающей средой.

В зависимости от механизма протекания коррозию подразделяют на химическую и электрохимическую. Химическая коррозия протекает в газовой среде при повышенных температурах или в жидких неэлектролитах. Электрохимическая коррозия протекает в присутствии электролита. Механизм электрохимической коррозии металлов сводится к работе гальванического элемента. При этом будут окисляться участки с меньшим электродным потенциалом (анодные), а на участках с большим потенциалом (катодных) будет происходить восстановление ионов или молекул среды. В кислой среде восстанавливается ион водорода: 2Н⁺ + 2е =Н₂, а в нейтральной и щелочной средах – растворенный кислород: О₂ + 2Н₂О + 4е = 4ОН^–.

Выполнение опытов

Опыт 1 Изучение работы гальванического элемента

Цель работы: Изучить работу гальванического элемента, определить электродвижущую силу опытным путем и сравнить ее с теоретическим значением.

Реактивы: 1М раствор сульфата меди CuSO₄; 1М раствор сульфата цинка ZnSO₄.

Оборудование: Вольтметр, цинковый и медный электроды, проводники, микростаканчики, электролитический мостик.

Ход работы:

- Один микростаканчик заполнить раствором сульфата цинка, другой раствором сульфата меди. Соединить стаканы электролитическим мостиком, заполненным насыщенным раствором хлорида калия в агар-агаре. Зачистить электроды наждачной бумагой. Опустить цинковый электрод в раствор сульфата цинка, медный – в раствор сульфата меди.

- Отметить показания вольтметра.

- Описать работу гальванического элемента: определить электрод, являющийся анодом, электрод, являющийся катодом. Записать схему гальванического элемента, электронные уравнения электродных процессов, рассчитать ЭДС элемента, сравнить ее с измеренной практически. Почему эти ЭДС различаются?

Опыт 2 Изучение влияния контакта металлов на электрохимическую коррозию

Цель работы:

Изучить влияние контакта двух металлов на скорость электрохимической коррозии.

А) Изучение влияния контакта меди на растворение цинка в кислоте

Реактивы: 1М раствор сульфата меди CuSO₄, 2н раствор серной кислоты H₂SO₄.

Оборудование:

Пробирки, гранулы цинка, медный стержень.

Ход работы:

- Внести в пробирку 9-10 капель раствора серной кислоты и опустить туда гранулу цинка. Отметить наблюдения. Записать уравнение реакции, рассмотреть окислительно- восстановительные процессы.

- Коснуться медным стержнем гранулы цинка. Отметить наблюдения. На каком металле происходит выделение водорода? Как изменилась интенсивность выделения водорода? Почему? Составить электронные уравнения электродных процессов, протекающих при электрохимической коррозии. Записать схему коррозионного гальванического элемента.

• Убрать медный стержень и добавить в пробирку 3-4 капли раствора сульфата меди. Отметить наблюдения. Сделать вывод о скорости выделения водорода в этом случае. Описать процессы.

Б) Изучение влияния контакта железа с оловом и цинком на скорость коррозии железа

Реактивы: Раствор гексацианоферрата (III) калия K₄[Fe(CN)₆], 2н раствор серной кислоты H₂SO₄, дистиллированная вода.

Оборудование: Пробирки, стружки цинка и олова, железные проволочки.

Ход работы:

- В две пробирки налить по 0,5 их объема дистиллированной воды, добавить в каждую пробирку по 3-4 капли раствора серной кислоты и 1-2 капли раствора гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆].Это вещество является чувствительным реактивом на ион железа (II), в их присутствии раствор окрашивается в интенсивно синий цвет. Растворы перемешать стеклянной палочкой.

- Зачистить 2 железные проволоки наждачной бумагой. Одну проволочку обмотать стружкой цинка, другую - кусочком олова.

- Опустить проволочки в приготовленные растворы.

- Отметить наблюдения: в каком из растворов происходит растворение железа. Описать процессы коррозии железа в контакте с цинком и оловом: записать схемы гальванических элементов, электронные уравнения электродных процессов, происходящих на аноде и катоде. Указать, какое из покрытий (цинковое или оловянное) будет катодным, а какое анодным. Какое покрытие лучше использовать для сохранения защищаемого металла?